基于ANSYS/LS-DYNA的聚能爆破數值模擬分析

林金山,張 翔

(中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧 530033)

0 引言

近年來,隨著交通強國重大戰略決策的實施,高速公路、鐵路迅速發展,相應的隧道工程也呈現井噴式發展趨勢,但工程建設中的難題也隨之產生。對于隧道工程建設而言,由傳統爆破引起的超挖現象難以避免,增加了時間成本和經濟成本[1],隨著對爆破要求的提高,傳統爆破已無法滿足需要。因此,在爆破過程中為滿足巖體定向斷裂的需要[2],國內專家學者在控制爆炸能量方面進行了探索研究,并提出了聚能爆破技術[3-4]。楊國梁等[5]根據切縫藥包對爆炸能量的導向作用,將切縫藥包運用到掏槽爆破中,證明了聚能爆破的可行性。陳壽峰等[6]分析了聚能爆破破巖機理,得出了聚能爆破參數對爆破效果的影響規律。

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件對傳統爆破和聚能爆破全過程進行了模擬分析,對比了兩種爆破方式下的破巖效果以及巖石振速峰值,證明了聚能爆破對控制超挖現象以及維護圍巖穩定有著顯著效果。

1 聚能爆破的作用

1.1 聚能爆破機理

切縫管聚能爆破機理是在炸藥爆炸時,由于切縫聚能管對爆炸能量的約束,導致在切縫方向形成聚能射流并作用于炮孔孔壁而產生初始裂縫,在聚能方向產生集中拉應力,再加上高溫氣體的膨脹作用和“氣刃”效果使聚能射流能夠沿著裂縫噴射,使得裂縫進一步擴展,而在非聚能方向對炮孔孔壁產生均勻壓應力,如圖1所示。根據聚能方向沿周邊眼輪廓線布置聚能炮孔,炮孔同時起爆,炮孔間產生疊加應力場,巖石受到拉應力而破壞并產生貫穿裂縫,而在非聚能方向由于爆炸能量受到約束,巖石破壞程度較低。

圖1 聚能爆破機理示意圖

1.2 兩種爆破方式的破巖效果對比

通過兩種模型的爆破效果對比可以發現,當兩種模型藥量相同時,傳統模型中的裂隙沿炮孔徑向無規則擴展,而聚能模型中由于切縫聚能管的聚能效果,裂隙只沿聚能方向進行擴展,這表明聚能爆破能夠起到控制巖石定向斷裂的作用,對控制超欠挖現象具有顯著效果,如圖2所示。

(a)傳統爆破

2 超欠挖情況對比分析

2.1 模型的建立

使用ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟件建立三維傳統爆破模型和聚能爆破模型,兩種模型均由巖石、空氣、炸藥和炮泥組成,其中聚能模型還包括切縫聚能管。兩種模型均采用solid164實體單元進行劃分網格,巖石和切縫聚能管使用Lagrange單元,炸藥、空氣和炮泥使用Euler單元,巖石、切縫聚能管與炸藥、空氣和土之間定義流固耦合來模擬爆炸過程。模型的上下邊界以及左右邊界設置透射邊界條件。

模型整體如下頁圖3所示。模型單位制采用cm-g-μs,兩種模型尺寸均為1 500 cm×300 cm×850 cm。模型掌子面均設置12個掏槽眼、45個輔助眼、15個底板眼和43個周邊眼,炮孔直徑為4.2 cm,炮孔長度為140 cm。炮泥長度為40 cm,炸藥長度為100 cm,炸藥直徑為3.2 cm。切縫管長度與炸藥長度一致,切縫管厚度為3 mm,切縫寬度為5 mm。

圖3 爆破模型示意圖

本次數值模擬中巖石模型采用能夠很好地反映巖石動態力學特性的HJC本模型,關鍵字對應在ANSYS/LS-DYNA中選擇MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS。巖石材料的物理力學參數見表1。

表1 巖石材料物理力學參數表

炸藥模型關鍵字對應在ANSYS/LS-DYNA中選擇MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,選擇狀態方程EOS_JWL來模擬爆炸過程。炸藥的性能參數主要為:密度ρ=1.52 g·cm-3,爆速D=0.67 cm·μs-1,爆壓PCJ=9.53 GPa。其狀態方程參數見表2。

表2 乳化炸藥狀態方程參數表

切縫聚能管模型關鍵字為MAT_JOHSON_COOK,其材料參數見表3。

表3 切縫聚能管材料參數表

2.2 數值模擬分析

2.2.1 巖石單元應力對比分析

為分析兩種模型周邊眼炮孔爆轟應力的傳播特征,在兩種模型的相同位置選取兩個巖石單元。巖石單元選取位置如圖4所示,其中1號巖石單元位于兩周邊眼炮孔連線中心處,2號巖石單元位于周邊眼炮孔垂直徑向,距炮孔中心距離與1號巖石單元距炮孔中心距離相等。

圖4 應力巖石單元選取示意圖

當炸藥起爆后,爆轟應力波開始從爆炸中心向四周傳遞。利用LS-PREPOST處理軟件對巖石單元應力隨時間的變化情況進行監測并得到巖石單元的應力-時間曲線,根據曲線圖可以看到兩種模型爆轟應力的傳遞特征,如圖5所示。

圖5 各巖石單元應力時間曲線圖

從圖5中可以看出,聚能爆破1號單元的應力峰值為876.3 MPa,聚能爆破2號單元的應力峰值為421.6 MPa,1號單元的應力峰值約為2號單元的2.1倍。分析其原因:(1)由于切縫聚能管限制了非聚能方向爆轟能量的傳遞,導致更多的爆轟能量從切縫口釋放;(2)1號單元位于兩周邊眼炮孔之間,考慮到應力疊加作用,使得1號單元應力峰值較大。

傳統爆破1號單元應力峰值為647.8 MPa,傳統爆破2號單元應力峰值為544.7 MPa,1號單元的應力峰值約為2號單元的1.2倍。這表明傳統爆破爆轟能量沿四周均勻傳遞,由于不存在切縫聚能管的約束作用,爆轟應力在炮孔連線處的疊加效果較弱,所以傳統爆破1號單元應力峰值小于聚能爆破1號單元應力峰值。

2.2.2 破巖效果分析

如圖6所示,傳統爆破周邊眼的爆炸能量傳遞較均勻,在輪廓線附近所形成的巖石粉碎區和裂隙區也較大,超挖現象較嚴重。而聚能爆破模型周邊眼炮孔內存在切縫聚能管,使得爆炸能量主要沿著聚能管切口方向傳遞,其巖石粉碎區主要出現在周邊眼輪廓線上,而在非聚能方向上巖石粉碎區很小,超挖現象并不明顯。

(a)傳統爆破

對兩種模型的43個周邊眼超挖情況進行統計,將各個周邊眼炮孔中心處法線方向上超過輪廓線的巖石破碎區長度作為超挖距離,將周邊眼從左至右依次進行編號,統計結果如圖7所示。

圖7 兩種模型的超挖情況對比曲線圖

從圖7可以看到,在建模方式以及炸藥量均相同的情況下,聚能爆破模型超挖距離整體小于傳統爆破模型的超挖距離,大致為傳統爆破模型超挖距離的一半。這進一步說明,在隧道施工過程中,對周邊眼使用聚能爆破能有效降低超挖現象,進而降低超挖回填的時間成本和經濟成本,對優化隧道施工具有重要意義。

2.2.3 巖石單元振速對比分析

為分析兩種模型周邊眼外部巖石單元振速的變化情況,在兩種模型的相同位置沿周邊眼炮孔徑向等間距選取五個巖石單元。巖石單元選取位置如圖8所示。

圖8 振速巖石單元選取位置示意圖

通過LS-PREPOST處理軟件對巖石單元爆破振動速度峰值進行監測,將兩種模型下五個巖石單元振速監測結果進行統計,如圖9所示。

圖9 各巖石單元振速峰值曲線圖

從圖9中可以看到,兩種爆破方式下,巖石單元振速均隨著爆心距的增大而減小。另外,聚能爆破巖石單元振速峰值小于傳統爆破,這也驗證了聚能爆破的爆轟能量在非聚能方向上傳遞較少,說明聚能爆破對圍巖的擾動較小,對保證圍巖穩定具有重要作用。在隧道開挖過程中,使用聚能爆破還能夠降低對鄰近建筑物的影響,保證了鄰近建筑物的安全與穩定。

3 結語

(1)相較于傳統爆破,聚能爆破周邊眼炮孔連線中心處巖石應力疊加效果更明顯,在非聚能方向上,爆轟能量傳遞較少,導致巖石應力峰值小于傳統爆破。

(2)相較于傳統爆破,聚能爆破爆炸能量主要沿著聚能管切口方向傳遞,其巖石粉碎區主要出現在周邊眼輪廓線附近,在非聚能方向上巖石粉碎區很小,超挖深度約為傳統爆破的50%,對控制隧道超挖有著顯著效果。

(3)聚能爆破巖石振速峰值小于傳統爆破,對圍巖穩定性具有促進作用,能夠降低對鄰近建筑物的影響,保證鄰近建筑物的安全與穩定。